7. Lee, Yang, Wu und die Verletzung der Parität 'P'

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1 7. Lee, Yang, Wu und die Verletzung der Parität 'P' Tsung Doa Lee *1926 und Chen Ning Yang *1922, Nobelpreise 1957 Wolfgang Pauli ( ) und Chien-Shiung Wu ( ) 60

2 "Physik ist die Suche nach der Symmetrie der Welt" - in dieser Kurzformel kann man die Bedeutung der 'Symmetrie' als fundamentales Konzept der modernen Physik zusammenfassen. 'Paarerzeugung' von Elektron und Positron Was bedeutet 'Symmetrie' in unserem natürlichen Sprachgebrauch? Noch ohne tieferes Nachdenken mag man sagen: wenn ein Gegenstand 'links' genauso aussieht wie 'rechts', ist er 'symmetrisch'; oder: wenn die eine Hälfte eines Gegenstands sich durch die Spiegelung der anderen Hälfte an einer bestimmten Linie ergibt, ist der Gegenstand 'spiegelsymmetrisch' zu dieser Linie; oder noch gröber: 'Symmetrie ist, wenn man etwas tut, sich dabei aber 'nichts' ändert'. Bereits diese spontanen Formulierungen führen ins Zentrum des physikalischen Symmetriebegriffs, für den gilt: Jede 'Symmetrieoperation' ist mit der Erhaltung oder 'Invarianz' einer physikalischen Größe verknüpft. Daher bilden Erhaltungssätze und Symmetrieoperationen ein Paar siamesischer Zwillinge. Dies wurde erstmals von Emmy Noether in die klassische Form des 'Noetherschen Theorems' gebracht: Emmy Noether

3 'Für jede (kontinuierliche) Symmetrie(operation) physikalischer Gesetze muss ein Erhaltungssatz existieren', 'Für jeden Erhaltungssatz muss es eine (kontinuierliche) Symmetrie(operation) geben' Beispiele kontinuierlicher Symmetrieoperationen : (7.1) Verschiebung in der Zeit t Postulat: Erhaltungsgröße: physikalische Gesetze unabhängig vom Zeitpunkt Energie [ = Zeitinvarianz] Verschiebung im Raum Postulat: Erhaltungsgröße: physikalische Gesetze unabhängig vom Ort Impuls [ = 'Translationsinvarianz'] Rotation um eine Symmetrieachse Postulat: physikalische Gesetze unabhängig vom Drehwinkel Erhaltungsgröße: Drehimpuls [ = Rotationsinvarianz] Beispiele diskreter Symmetrieoperationen: Vertauschung: Teilchen Antiteilchen ('C' = 'charge conjugation') Postulat: physikalische Gesetze gleich für Teilchen u. Antiteilchen Erhaltungsgröße: alle physikalischen Gesetze Raumspiegelung: r - r [oder Spiegelung Rotation] ('P' = 'Parity') Postulat: physikalische Gesetze unabhängig von Raumspiegelung Erhaltungsgröße: alle physikalischen Gesetze Zeitumkehr: t - t ('T' = ' Time reversion') Postulat: (mikroskopische) Gesetze unabhängig von Zeitrichtung Erhaltungsgröße: alle physikalischen Gesetze 62

4 Bis zum Jahr 1956 nahm man, in unbesehenem Vertrauen auf die Symmetrie' der Natur an, dass alle Naturgesetze invariant gegen jede einzelne der Operationen C, P, T sind - d.h. im Sinn des auf diskrete Symmetrieoperationen erweiterten Noetherschen Theorems, dass alle (mikroskopischen) Naturgesetze identisch für Teilchen und ihre Antiteilchen ('C') gelten unabhängig sind von Raumspiegelungen bzw. Koordinatensystemen ('P') unabhängig sind von der Zeitrichtung ('T') (7.2) (Die Einschränkung auf 'mikroskopisch' erfolgt hier im Blick auf den 2. Hauptsatz der Thermodynamik, der eine Aussage über die Asymmetrie der Zeitrichtung makroskopischer Systeme macht...). Erst 1956 machten sich Yang und Lee Gedanken zu der bisher selbstverständlichen Annahme der Invarianz der Naturgesetze bezüglich der drei Symmetrieoperationen C, P und T in allen Wechselwirkungen. Ausgangspunkt dafür war der merkwürdige Zerfall des 'Tauons τ'. Dieses Teilchen (heute heißt es 'K 0 ') konnte offenbar entweder in zwei oder aber in drei Pionen zerfallen. Lee und Yang vermuteten als Grund dieses rätselhaften Verhaltens, dass in der 'schwachen Wechselwirkung', die dem Betazerfall zugrundeliegt, möglicherweise die Symmetrie (Invarianz) bezüglich der Raumspiegelung (P) verletzt sein könnte. Sie schlugen zur Überprüfung dieser Hypothese verschiedene Experimente vor, unter anderem die Untersuchung des Betazerfalls von 60 Co. Dieses Experiment wurde 1957 unter der Leitung von C.S. Wu in einem Labor des NIST (National Institut of Standards) durchgeführt, mit spektakulärem Ausgang Das Experiment von C.S. Wu zur Paritätsverletzung Als Physiker muss man sich fragen: wie kann man die Invarianz oder Nicht-Invarianz des Betazerfalls von 60 Co bezüglich der Symmetrieoperation 'P' ( r - r) nachprüfen? Zuerst muss man natürlich schauen, was in diesem β - -Zerfall überhaupt passiert: ein Neutron des 60 Co -Kerns ( Z = 27, Kernspin I C = 5 + ) verwandelt sich unter Emission eines Elektrons (e - ) und eines Elektron - Antineutrinos (ν e ) in ein Proton, wodurch (in 99% aller Fälle) der angeregte Tochterkern 60 Ni ( Z' = 28, I N = 4 +, Anregungsenergie E = 2,5 MeV) entsteht. 60 Co (5 + ) 60 Ni* (4 + ) + e - + νe(bar) (7.3) 63

5 Wie kann man den Zerfall (7.3) 'raumgespiegelt' ablaufen lassen??? Etwa, indem man sein Koordinatensystem, mit dem man die Orte und Richtungen der Zerfallsteilchen (Elektron und Antineutrino) misst, spiegelt (x -x, y -y, z -z)?? Abgesehen davon, dass man nur das Elektron nachweisen kann, würde einem das wenig bringen: dem Elektron dürfte es nämlich ziemlich 'schnurz' sein, welches Koordinatensystem der Betrachter ausgewählt hat (Augen hat es ja wohl noch nicht)! Um das Problem zu knacken, brauchte Madame Wus Gruppe drei gute Ideen: 1. Beobachtung der Elektronenemission relativ zu einer durch den (Mutter)- Atomkern definierten Achse 2. Ausrichtung dieser Achse in eine bestimmte Richtung ( = z-richtung) 3. Drehung dieser Achse um (entspricht z -z und damit der 'Rauminversion') 1a) als kerneigene Achse wurde die Spinrichtung, bzw. die Richtung des magnetischen Moments µ C des 60 Co- Kerns gewählt. 2a) für ein in z-richtung angelegtes Magnetfeld B hat der Kernspin S C = 5 h11 diskrete Einstellmöglichkeiten (m S = -5, , +5 h) relativ zu B. Jede dieser Einstellungen hat eine unterschiedliche Energie (Zeeman-Aufspaltung)mit äquidistanten Energieabständen E = g µ N B ( g = Landé-Faktor, µ N = Kernmagneton = e/ (2m N ) h = 5 x J/T). Kühlt man nun die Kerne bei einem Magnetfeld von 2,3 T auf K ab (durch 'adiabatische Entmagnetisierung') erreicht man, dass i.w. nur das tiefste Energieniveau besetzt ist ( g = 7,5 für 60 Co) Zeeman- Aufspaltung der Energieniveaus im Magnetfeld mit E = 7,5x5 x10-27 J/T x 2,3 T = 8,6 x J; kt (T = 3 mk) = 3,3 x10-26 J ist dann die Besetzungswahrscheinlichkeit W( Ε) des zweittiefsten Niveaus: W( Ε) = e - Ε /kt W( E) = exp {- 8,6/3,3} = 0,074 (7.4) der 60 Co -Kern ist also zu über 92% polarisiert. 64

6 3a) dreht man nun die Richtung von B um 180 0, dann entspricht dies der Änderung z -z, also der 'Raumspiegelung' oder, anders gesagt, der 'Paritätsoperation'. Aufbau des Wu- Experiments mit 60 Co von 1957 Die 60 Co-Quelle (Halbwertszeit 5,3 Jahre) befindet sich auf einem paramagnetischen Salz aus Cer-Mangan-Nitrat, mit dessen Hilfe man die Temperatur von 3 mk erreicht. Quelle und Elektronendetektor (Anthrazen-Szintillator, 2 cm oberhalb) befinden sich in einem Helium-Kryostat und einem Magnetfeld B (in Richtung der Detektorachse) von 2,3 Tesla. Mit Natrium-Jodid (NaJ) -Detektoren beobachtet man die γ-strahlen (1,17 und 1,33 MeV) des angeregten Tochterkerns 60 Ni, woraus sich der Polarisationsgrad der 60 Co -Quelle bestimmen lässt. Da sich das magnetische Moment des polarisierten 60 Co- Kerns parallel zum Magnetfeld einstellt, steht der Kernspin S parallel oder antiparallel zu B (abhängig vom Vorzeichen von g Co, das man 1957 noch nicht kannte). Je nach Polung des Magnetfelds misst man also die Emission der Elektronen unter einem Winkel von 0 0 bzw relativ zu B, und dies heißt: unter einem Winkel von 0 0 oder relativ zum Kernspin S (bei welcher Polung man welchen Winkel zu S hat, weiß (wusste) man aber nicht!). 65

7 Ergebnis des Wu - Experiments: Verletzung der 'Parität' Madame Wus Gruppe maß nun das Verhältnis der Elektronenzählraten im kalten (polarisierten) und im warmen (unpolarisierten) Zustand der 60 Co-Quelle als Funktion der Richtung des Magnetfelds B (das hier nach früherem, etwas ungenauem Brauch 'H' genannt wird): nach 'oben' H bzw. nach 'unten' H und fand dass im kalten (polarisierten) Zustand in Richtung des Magnetfelds stets 33% weniger als im warmen Zustand emittiert werden, und entgegen der Richtung des Magnetfelds 33% mehr als im warmen Zustand. 66

8 7.2 Spätere Folgerungen aus dem Wu'schen Experiment Als man später das Vorzeichen des magnetischen Moments von 60 Co bestimmt hatte, wusste man, dass im polarisierten 60 Co Kern der Spin S in Richtung des Magnetfelds zeigt. Man konnte dann das Ergebnis des Wu'schen Experiments so zusammenfassen: Es werden immer mehr Elektronen gegen die Spinrichtung emittiert als in Richtung des Spins. Wie sähe jetzt das Wu-Experiment in einem in der x/z -Ebene aufgestellten Spiegel aus, der also y -y transformiert, bzw. aus einem 'rechtshändigen' (rh) ein 'linkshändiges' Koordinatensystem macht, wenn man noch bedenkt, dass man dem Spin einen Kreisstrom zuordnen kann, der bei der Spiegelung seinen Drehsinn ändert? Die meisten Elektronen kommen stets aus dem 'Südpol'! Das rechte Spiegelbild kommt daher in der Natur nicht vor!! 67

9 Nach dem Experiment zum β - - Zerfall von polarisiertem 60 Co machte man ein analoges Experiment zum β + -Zerfall von polarisiertem 58 Co ( 58 Co 58 Fe + e + + ν e ), wo die jeweiligen Antiteilchen (Positron und Neutrino statt Elektron und Antineutrino wie im 60 Co - Zerfall) erzeugt werden. Hier stellte man nun fest, dass mehr Positronen parallel zur Richtung des ausgerichteten Kernspins von 58 Co emittiert werden als antiparallel! Beim Betazerfall ist daher, außer der 'Parität' (P) auch die 'Ladungskonjugation' (C) verletzt! Was ist aber der tiefere Mechanismus, der im Fall des 60 Co die Elektronen vornehmlich antiparallel und die Positronen im Fall des 58 Co vornehmlich parallel zur Richtung des Kernspins erzeugt? Die Lösung liegt in den Eigenschaften der in diesen Experimenten nicht entdeckten Teilchen, der Antineutrinos ( 60 Co) bzw. Neutrinos ( 58 Co), der 'Helizität h', das ist die (normierte) Projektion des Spins s in Richtung des Impulses p: h = s p/( s p ) (7.5) [In der 'exakten' Theorie wird man später zwischen 'Helizität h' und 'Chiralität χ' ('Händigkeit') unterscheiden, wobei die Chiralität nur für Teilchen ohne Ruhemasse (v = c) einen Eigenwert besitzt: γ 5 ψ = χψ, mit χ = +/- 1. Wir werden hier aber auf diese 'Feinheiten' nicht näher eingehen]. Es zeigte sich nun in einem berühmten späteren Experiment ('Goldhaber-Experiment), dass Neutrinos zu 100% eine negative (h = - 1), Antineutrinos hingegen zu 100% eine positive Helizität (h = + 1) haben. Stellt man sich in einem einfachen Bild das Neutrino (bzw. Antineutrino) als sich drehenden Pfeil vor (Pfeilspitze zeigt in Richtung p), wobei der Drehsinn die Projektion des Spins s auf den Impuls p symbolisiert, dann beschreibt das Neutrino immer eine 'Linksschraube' (Gegenuhrzeigersinn) das Antineutrino eine 'Rechtsschraube' (Uhrzeigersinn). Daher ist das Neutrino immer 'linkshändig', das Antineutrino immer 'rechtshändig', - in klarer Verletzung der Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie. 'Linkshändiges' Neutrino 'Rechtshändiges' Antineutrino Während für Teilchen ohne Ruhemasse, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, die 'Händigkeit' eine lorentzinvariante Größe ist, gilt dies für Teilchen mit Ruhemasse m 0 0 (v < c) nur mit der 'Stärke' v/c: es gibt dann immer Bezugssysteme Σ (v Σ > v), von denen aus gesehen sich die Bewegungsrichtung des Teilchens und damit dessen Drehsinn relativ zum Impuls umkehrt. Es hat sich gezeigt, dass Fermionen mit der 'Stärke' v/c 'linkshändig', Antifermionen mit der 'Stärke' v/c 'rechtshändig' sind. 68

10 Im Lichte dieser Erkenntnisse können wir jetzt den Ausgang des 60 Co -Experiments nachvollziehen. Dabei betrachten wir stets die Richtung des Magnetfelds B als Quantisierungsachse 'z', Spin s und Spinprojektion s z nehmen wir in Einheiten h. Elektron und Antineutrino haben s z = +/- 1/2, der spinpolarisierte Mutterkern 60 Co mit s = 5 hat s z 5, der Tochterkern 60 Ni hat s = 4 und daher ein maximal mögliches s z ( 60 Ni)= 4. Im Mutterkern sind fast alle Kerne im tiefsten Energiezustand E min, der für positives magnetisches Moment µ = g µ N s für s z ( 60 Co) = 5 erreicht wird gemäß E = - µ B = - µz B = - g µn sz (7.6) (für einen Spin s = 5 ist s z = 5 der maximal mögliche Wert; er ergibt E min ) Das Magnetfeld B zeige nach 'oben' = 'z' -Achse': B Mutterkern, 60 Co, s = 5; s z 5 Tochterkern 60 Ni Antineutrino ν e + e - sz sz νe: sz p e - : sz p Die Erhaltung von s z vor (s z = + 5) und nach dem Zerfall verlangt, dass Elektron und Antineutrino jeweils s z = + 1/2 haben müssen (das maximal mögliche s z des Tochterkerns ist ja s z (max) = 4). Wenn das Antineutrino aber zu 100% 'rechtshändig' ist (Spinprojektion in Impulsrichtung s p/( s p ) (ν e ) = h = + 1), muss sein Impuls p nach 'oben' zeigen -und wegen der Impulserhaltung muss das Elektron vornehmlich nach 'unten' emittiert werden, wobei wegen s z (e - ) = + 1/2 h gilt: s p / ( s p ) (e - ) = -1 (7.7) d.h. das Elektron muss (vornehmlich) 'linkshändig' sein. Die obige Analyse ist aber nur 'halbrichtig', da nach ihr ja alle Elektronen entgegen der Richtung des 60 Co-Spins (und des Magnetfelds) emittiert werden sollten. In Wirklichkeit tut dies aber nur die Mehrzahl. Eine vollständige Analyse hat zu bedenken, dass a) nicht alle 60 Co-Kerne im Zustand mit s z = + 5 sind; b) der Impuls nach dem Zerfall auf alle drei Teilchen (Tochterkern, Antineutrino und Elektron) aufgeteilt wird; c) ein Eigenzustand der Helizität (hier auch der Chiralität) h = +1 für das Antineutrino quantenmechanisch nicht bedeutet, dass der Impuls p und der Spin s 'exakt' kollinear sind. Tut man dies (kompliziert!), erhält man eine sehr gute Übereinstimmung mit den Experimenten, sowohl für 60 Co als auch für 58 Co. 69

11 Die Asymmetrie des Zerfalls von 60 Co wird nochmals an obigem Bild deutlich: die Spinprojektion (s z = 5)des polarisierten 60 Co zeige nach 'oben', in Richtung des Magnetfelds, symbolisiert durch die Kreisbewegung eines 'Elementarstroms'. a) zeigt die in der Natur vorzugsweise realisierte Situation nach dem Zerfall: Der 60 Ni - Kern ist im (maximal möglichen) Zustand mit s z = 4; das nach 'oben' emittierte 'rechtshändige' (Spin zeigt in die Richtung des Impulses) Antineutrino hat s z = + 1/2, ebenso das nach 'unten' emittierte 'linkshändige' (Spin zeigt gegen die Richtung des Impulses) Elektron; Σ s z der drei Teilchen = 5, wie vor dem Zerfall. b) zeigt den vorzugsweise nicht realisierten Zerfall: da sowohl Elektron wie Antineutrino s z = + 1/2 haben müssen (Σs z muß ja = 5 sein!), müsste ein nach 'oben' emittiertes Elektron 'rechtshändig' sein (Spin in Richtung des Impulses), das nach unten emittierte Antineutrino aber 'linkshändig'. Das obige Bild zeigt nun die Auswirkung dieser Erkenntnisse auf die Symmetrieoperationen 'P' ('Parität') und 'C' ('Ladungskonjugation', Teilchen- Antiteilchen-Austausch): 1) die Operation 'P', macht aus einem (nach unten fliegenden), 'linkshändigen' Elektron (Spin zeigt nach 'oben') ein nach oben fliegendes, 'rechtshändiges' Elektron; ein solches ist aber mit der Stärke v/c unterdrückt: 'P' ist verletzt (für v = c sogar maximal). 2) 'C', macht aus dem unterdrückten rechtshändigen Elektron ein 'erlaubtes' linkshändiges Anti-Elektron = Positron ('C' ändert das Vorzeichen der Ladung und damit die Richtung des Kreisstroms). 'C' ist verletzt. Die hintereinander ausgeführten Operationen PC oder CP machen aus einem 'erlaubten' linkshändigen Elektron ein 'erlaubtes' rechtshändiges Positron. Daraus folgt: die schwache Wechselwirkung verletzt P und C, aber nicht PC (oder CP). 70

12 All dies wird besonders eindrucksvoll deutlich am Zerfall des Pions. Dieser Fall ist einfach, weil sich hier nur zwei Teilchen im Ausgangskanal befinden. Ein ruhendes, positiv geladenes Pion (π + ) mit S = 0 kann nur über die 'schwache' WW zerfallen (es hat die kleinste Masse aller 'stark' wechselwirkenden Teilchen). Die Bedingungen für die beiden Zerfallsprodukte sind daher (z-achse = Richtung von µ + ): 1. Σ q i = + 1 (Ladungserhaltung); 2. Σ p i = 0 (Impulserhaltung) 3. Σs i = 0 (Drehimpulserhaltung); 4. Σs z (i) = 0 (Erhaltung der Drehimpulsprojektion) 5. ΣE i = m(π + ) c 2 (Energieerhaltung); 6. Σ Teilchen + Antiteilchen (pro 'Familie') = 0 Warum zerfällt das π + fast nur in ein Anti-Myon (µ + ) und ein Myon-Neutrino (ν µ ), aber kaum in ein Positron und ein Elektron-Neutrino (Wahrscheinlichkeit = 10-4 ), obwohl doch das Positron durch den höheren 'Phasenraum' stark begünstigt wäre? Die Antwort liegt in einer Betrachtung der Spinprojektionen s z bzw. der Helizitäten: Wegen 4) müssen die s z der beiden Teilchen entgegengesetzt gleich sein. Daraus folgt aber, dass beide Teilchen die gleiche Helizität haben müssen; da ν µ als masse-loses Fermion h = -1 (linkshändig) hat, muß die Helizität des µ + (Antiteilchen des µ - ) ebenfalls = -1 sein; diese 'falsche' Händigkeit gibt es aber nur mit der Stärke (1 -v/c). Aus Energie- und Impulssatz und mit m π c 2 = 139,6 MeV, m µ c 2 = 105,7 MeV berechnet man für die kinetische Energien T bzw. β = v/c von Myon bzw. Elektron: T µ+ = 4,116 MeV; β µ+ = 0,27; T e+ = 69,3 MeV; β e+ = 0,99997 Die erforderliche 'falsche' Linkshändigkeit des Myons ist also mit (1 -β µ ) =0,73, die des Positrons aber nur mit (1 - β e+ ) = 0,00007 vorhanden. Das Spiegelbild (P) des Zerfalls (s. Bild) ist physikalisch nicht erlaubt; wohl aber mit der Ersetzung aller Teilchen des Spiegelbilds durch ihre Antiteilchen (PC)! 71

13 Zusammenfassung: 1. es gibt bisher kein einziges Experiment, das eine Verletzung der CPT-Invarianz (Hintereinanderausführung von C-, P-, T- Transformation in beliebiger Reihenfolge) gezeigt hat. Daher nimmt man an, dass alle Naturgesetze CPT-invariant sind. 2. die schwache Wechselwirkung verletzt (maximal) die P- bzw. C- Invarianz, ist aber CP- invariant (da sie CPT- invariant ist, muss sie auch T- invariant sein). Masselose Fermionen (Neutrinos) sind stets 'linkshändig' (Helizität bzw. Chiralität = -1), masselose Antifermionen stets 'rechtshändig' (Helizität bzw. Chiralität = + 1). Fermionen bzw. Antifermionen mit Ruhemasse 0 sind linksbzw. rechtshändig v/c. 3. eine (schwache) CP- Verletzung wurde bisher nur beim Zerfall des K0 -Mesons gefunden (sowie neuerdings beim B -Meson). 72

14 Physik ist die Suche nach der (fraktalen?) Symmetrie der Welt 73